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    既然光是一种高频的电磁波那么我们能否借助LC振荡电路发出可见光
    发布时间:2019/11/04 11:00:18 阅读次数:883



    2015.8.28编辑,填坑完成....最近事情太多,见谅。可以的,不过进入纳米光学尺度后,和宏观的Lc已经很不一样了,只是在理论上可以这样去描述。排名最高的答案提到的微波谐振腔基本上从原理上说清楚了高频LC的特点了,也就是得想办法把光束缚在某个“回路”中振荡(这实际是一句废话--)。但是由于载体材料色散性(在光学频段尤其重要),scalinglaw失效,实际实现起来和宏观的LC有很大不同。那就举几个栗子吧。。1.回音壁谐振器(Whisperinggalleryresonator)想象一个尺寸在微米级别的透明介质腔体,比如下边这个GaN/InGaN微米盘,当光能耦合进这个腔体的时候,能通过类似“驻波”干涉的方式形成稳定的电磁振荡,也就是所谓的回音壁共振。这种形式的振荡,辐射损耗很小,能量可以在腔体内振荡非常久。而且共振的频率只跟腔体的尺寸以及折射率有关系,是不是和LC不大一样了呢。艺术一下的Whisperinggalleryresonator,就变成下边这种。能够通过共振条件的改变来“看到”周围环境的微小变化。References:AdeleC.Tamboli,etal,Room-temperaturecontinuous-wavelasinginGaN/InGaNmicrodisks,NaturePhotonics,1,61-64(2007)http://www.nature.com/nphoton/journal/v1/n1/full/nphoton.2006.52.htmlJiangangZhu,etal,On-chipSingleNanoparticleDetectionandSizingbyModesplittinginanUltra-high-QMicroresonator,NaturePhotonics,4,46-49(2010)On-chipsinglenanoparticledetectionandsizingbymodesplittinginanultrahigh-Qmicroresonator:Abstract:NaturePhotonics但楼主似乎想让这个回路作为一个波源向外辐射出光,那么WG显然不是一个最佳选择,我们来找找更简单粗暴点的。2.表面等离激元共振(Surfaceplasmonresonance)这回我们把介质换成金属(Au),尺寸再缩小到几十纳米大小。想象光作为电磁波照射到尺寸远远小于其波长的纳米颗粒上的时候,可以激发金属的表面等离激元共振,通俗点说,整个金属颗粒表面的自由电子将跟随光电场作周期性的群体振荡。就像下面这个示意图一样(当然这里描述成chargecloud是太夸张了)。一切共振都需要满足能量守恒,在Whisperinggalleryresonator,实际还是在几何光学范畴,能量基本按照半周期电场-半周期磁场的形式谐振,但在纳米尺度,电场能量和磁场能量失衡(有兴趣的童鞋可以简单推导下,亚波长下电场能将大于磁场能),这种形式的谐振条件不再能满足,所以传统意义上没法把光束缚在纳米尺度下(也就是所谓的衍射极限存在)。但是如果引入自由电子,能量可以有部分转换成自由电子的动能,那么能量守恒就能满足,光也就自然能束缚在纳米尺度内振荡了。但是代价是什么呢?固体物理告诉我们金属内的电子会通过电子-电子散射以及电子-晶格散射把能量耗散掉,所以这样一个金属颗粒组成的谐振器由于自身的损耗,没法维持非常久(一般认为在10fs-100fs左右)。也就是LC回路里边加了一个很大的阻尼项的情况。但好处在于,通过辐射阻尼,谐振器(纳米颗粒)可以把一部分光给辐射出来,比如散射过程(lightscattering),或者光致发光过程(photoluminesence),由于等离激元共振的增强效果,散射/荧光截面可以比颗粒的几何截面大数个数量级,楼主想要的LC光源应该是找到了。这图貌似动不了,不知道知乎如何传动图..3.纳米尺度的光回路这部分内容适合想搞个大新闻的朋友。我猜应该有部分群众要问“那我想做一个用光操控的电路吼不吼啊?姿磁不姿磁啊?“下面就得扯到OpticalNanocircuits以及Metamaterials了。原理部分其实前面已经介绍的差不多了,最简单的就像下边A图示意的那样,用光激发亚波长尺寸的纳米粒子材料,不同介电响应的纳米粒子实际可以等效成不同的电路器件。比如介电实部大于0的纳米粒子(比如介质),可以等效看作电路理论中的电容,介电实部小于0的(比如金属),可以看成电感,而电阻可以从介电虚部中获得。那么一个复杂的电路就可以通过这样一些不同的纳米颗粒组分拼装起来(C图)。所以,原理上是完全可行的,麦克斯韦方程组是姿磁这么搞的。但是实际操作的时候,由于上边提到的严重的材料损耗问题,目前还有很长的路要走。实际上,宽频段的低损耗金属材料,到现在依然是个大难题。References:NaderEngheta,CircuitswithLightatNanoscales:OpticalNanocircuitsInspiredbyMetamaterials,Science,317,1698-1702,2007.CircuitswithLightatNanoscales:OpticalNanocircuitsInspiredbyMetamaterials
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